Компьютерные системы имитационного моделирования для

Компьютерные системы имитационного моделирования…
Б.Е. ФЕДУНОВ1, А.В. РОМАНЕНКО2
1
ФГУП ГосНИИАС, Москва
2
Московский авиационный институт (государственный технический университет)
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ДЛЯ ОТРАБОТКИ БАЗ ЗНАНИЙ БОРТОВЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ СИСТЕМООБРАЗУЮЩЕГО ЯДРА АНТРОПОЦЕНТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
Представлена классификация и облик компьютерных систем имитационного моделирования, позволяющих на
отдельных этапах разработки бортовых интеллектуальных систем отрабатывать их базы знаний. Для информационной
интеллектуальной системы «Ситуационная осведомленность экипажа» наличие в контуре моделирования человекаоператора представляется обязательным, а для бортовых оперативно советующих экспертных систем типовых ситуаций
функционирования антропоцентрического объекта допустима имитация работы оператора специальным блоком ситуационного управления.
Антропоцентрическим объектом (Антр/объектом) называется его оболочка с реализованной в ней совокупностью его макросоставляющих (борт Антр/объекта):
- бортовых измерительных устройств, получающих информацию о внешнем мире, в котором
функционирует Антр/объект и о его внутри бортовом мире;
- системообразующего ядра Антр/объекта, в котором (ядре) различают три глобальных
уровня управления (ГлУУ): оперативное целеполагание (первый ГлУУ), определение способа достижения оперативно назначенной цели (второй ГлУУ), реализация принятого способа (третий
ГлУУ). В системообразующем ядре главенствующая роль принадлежит команде операторов (экипажу);
- бортовых исполнительных устройств, воздействующих на внешний и внутри бортовой
мир.
Функционирование любого Антр/объекта удобно описывать расчетным набором его сеансов
функционирования, каждый из которых характеризуется генеральной задачей сеанса и семантической сетью типовых ситуаций функционирования (ТС), каждая из которых, в свою очередь, представляется семантической сетью проблемной субситуации (ПрС/С) этой ТС. Все перечисленное
составляет содержания модели «Ген/задача – ГлУУ», которая используется при разработке бортового алгоритмического и индикационного обеспечения (АиИО) современных Антр/объектов [1,2].
Практика применения и разработки современных антропоцентрических объектов требует
создания бортовых интеллектуальных систем, осуществляющих поддержку экипажа в процессе
решения им задач первого и второго глобальных уровней управления.
1. Структура деятельности оператора на борту технического антропоцентрического
объекта и классификация бортовых интеллектуальных систем его системообразующего ядра. На борту Антр/объекта деятельность оператора (экипажа) представляется через следующие
составляющие. Оператор принимает решения по оперативно возникающей проблеме, реализует
эти решения и участвует в различных операциях слежения как элемент следящей системы [3–8].
Вся необходимая для деятельности оператора информация представляется ему на индикаторах
информационно управляющего поля (ИУП) кабины экипажа и/или сообщается ему через кабинные речевые информаторы. Реализация решений и участие в операциях слежения осуществляется
экипажем через органы управления на ИУП. В рамках модели «Ген/задача – ГлУУ» все элементы
деятельности оператора интегрировано представляются графом решений оператора (ГРО). Оценка
выполнимости оператором всего объема работ, представленных в ГРО, производится на компьютерной системе «ГРО-оценка» [9].
Остановимся на возможностях оценки временных затрат оператора в каждой составляющей
его деятельности.
Каждое решение оператора относится к одному из следующих типов: π-решения (перцептивно-опознавательные), ρ-решения (речемыслительные) и π-ρ-решения (эвристические) [4,7].
Каждое π-решение характеризуется мгновенной реакцией оператора на определенный стимул-сигнал. Временные затраты оператора на принятие такого решения состоят только из временных затрат на обнаружение и опознание соответствующего стимул-сигнала. Такие решения представляются в ГРО [8]:

составом информации или речевым сообщением (стимул-сигналом), которые необходимы оператору для его принятия;

выходной информацией: составом и последовательностью ручных операций, необходимых для реализации оператором принятого решения.
Компьютерные системы имитационного моделирования…
При оценке времени на восприятие информации оператором и на ее осмысливание информация представляется через набор оперативных единиц восприятия (ОЕВ), которые выделяются
как элементы конкретного информационного кадра на индикаторе ИУП.
Необходимые для этого оценки времени введены в компьютерную систему «ГРО-оценка» из
[3–9].
Каждое ρ-решение характеризуются в ГРО:
 входной информацией, включающей в себя состав информации на ИУП кабины, по
которой оператор должен принимать это решение; состав и продолжительность речевого
сообщения, которое передается оператору кабинным речевым информатором и которое
используется при принятии этого решения;
 структурой решения, описываемой количеством и составом оперативных единиц
восприятия (ОЕВ), по которым принимается решение; составом и последовательностью
элементарных актов выработки решения (ЭАВР), описываемых через индикационную
символику информационных кадров на индикаторах ИУП;
 выходной информацией, представляемой составом и последовательностью ручных
операций, необходимых для реализации принятого решения.
Необходимые временные оценки в систему «ГРО-оценка» введены из [3–7].
Каждое π-ρ-решение является эвристическим. При проектировании деятельности оператора
оно охарактеризовано в ГРО:

входной информацией, представляемой составом информации на
ИУП кабины, по которой оператор должен принимать это решение; составом и
продолжительностью речевого сообщения, которое передается оператору кабинным речевым информатором и которое используется при принятии этого решения;

временем на принятие этого решения (оценивается только экспериментально);

выходной информацией, характеризуемой составом и последовательностью ручных операций, необходимых для реализации принятого решения.
Алгоритмы деятельности оператора по участию его в процессах слежения [6] на этапе разработки спецификаций бортовых алгоритмов описываются в достаточно общем виде. Для оценки
времени, которое тратит оператор на процесс слежения, сделаны следующие допущения. При выполнении операций слежения предполагается, что оператор работает в дискретно – непрерывном
режиме, отвлекаясь от операции слежения на время принятия и реализацию решения (решений).
После отвлечения оператор опять возвращается к процессу слежения и устраняет ошибку слежения, накопившуюся за время его отвлечения. Моменты отвлечения оператора на операции слежения не могут разрывать процесс принятия решения и процесс его реализации. Временные затраты
оператора на процесс слежения представляются зависимостью слеж  f (отв ) времени отработки
оператором ошибки слежения (τслеж), накопившейся за время его отвлечения от процесса слежения, от времени этого отвлечения (τотв). В ГРО могут быть несколько типов слежения, каждый из
которых характеризуется своей зависимостью слеж  f (отв ) . Процессы слежения могут быть вложенными друг в друга.
И, наконец, все названные элементы деятельности оператора объединены концептуальной
моделью поведения оператора, оперативная смена которой оператором в процессе его деятельности требует определенной затраты времени. Это время характеризуется единой величиной для
всех концептуальных моделей.
Остановимся на решении экипажем задачах первого ГлУУ: оперативное назначение текущей цели сеанса функционирования (оперативное назначение ТС). Мотивация такого назначения
полностью не формализуема, только меньшая часть из этих мотивов слабо структурирована, а
большая – даже вербально не обозначена. Для принятия таких решений экипаж использует эвристические π-ρ-решения. Информационно такие решения поддерживаются развернутой на ИУП информационной моделью внешней и внутри бортовой обстановки. Эта модель создается бортовой
интеллектуальной информационной системой (ИИС) «Ситуационная осведомленность экипажа».
Задачи второго ГлУУ, как правило, решаются оператором с использованием π-решений и ρрешений, что позволяет для этих задач разработать бортовые оперативно советующие экспертные системы типовых ситуаций сеансов функционирования (БОСЭС ТС), оперативно предъявля-
Компьютерные системы имитационного моделирования…
ющих экипажу способ достижения текущей цели сеанса функционирования (задачи второго
IГлУУ) [10–16].
2. Классификация систем имитационного моделирования для тестирования и отработки баз знаний бортовых интеллектуальных систем системообразующего ядра Антр/объекта.
Разработка бортовых интеллектуальных систем (интел/систем) проходит следующие три стадии:
- создание алгоритмической оболочки интел/системы, адекватной проблемам предметной
области определенного класса антропоцентрических объектов (Антр/объектов);
- наполнение алгоритмической оболочки интел/системы конкретными знаниями, ориентируясь на ее работу на борту этого класса Антр/объектов. В результате получается базовый образец
интел/системы, ориентированный на обобщенную (как правило, наиболее «богатую») информационную среду Антр/объектов этого класса;
- адаптация базового образца интел/системы к бортовой информационной среде конкретного
Антр/объектов из этого класса. В результате получается адаптированный образец интел/системы.
На этапах создания базового и адаптированного образцов бортовых интеллектуальных систем Антр/объектов необходимо тестировать и отрабатывать их базы знаний с привлечением профессиональных операторов. Для такой работы создаются дорогие комплексы полунатурного моделирования (КПМ) с элементами реальных бортовых систем и полноразмерными информационно-управляющими полями кабины экипажа. Примеры таких КПМ с частичным их описанием даны в нашем обзоре [1]. Создание КПМ требуют больших финансовых и трудовых затрат, и использование их для отработки базовых интеллектуальных систем затруднительно как из-за их неготовности к календарным срокам работ по базовому образцу, так по ограниченным возможностям использования высококвалифицированных операторов.
Эти соображения вынуждают разработчиков бортовых интеллектуальных систем проектировать компьютерные системы имитационного моделирования (СИМ), в которых имитируется как
работа бортовой интеллектуальной системы, так и в ряде случаев работа самого экипажа (оператора) Антр/объекта.
Разрабатываются два класса систем компьютерного имитационного моделирования (СИМ):
СИМ IГлУУ для ИИС «Ситуационная осведомленность экипажа», с обязательным включением в контур моделирования профессионального человека-оператора,
СИМ IIГлУУ для каждой БОСЭС ТС с имитацией работы профессионального человекаоператора блоками ситуационного управления (БСУ).
Разработка этих СИМ ведется на базе технической документации моделируемого
Антр/объекта.
3. Компьютерная система имитационного моделирования для отработки баз знаний
ИИС «Ситуационная осведомленность экипажа». Для бортовых интеллектуальных систем «Ситуационная осведомленность экипажа» отличительными чертами СИМ являются:
1) функционирование в реальном времени;
2) имитация на дисплее компьютера информационных кадров кабины экипажа, предназначенных для его ситуационной осведомленности;
3) представление на информационном кадре динамики появления и развития угроз с отметкой на них значимых событий;
4) имитация на клавиатуре компьютера органов управления Антр/объектом и его бортовым
оборудованием, используемых экипажем при решении задач IГлУУ;
5) наличие оператора в контуре моделирования.
Такие системы назовем СИМ IГлУУ. Функциональные блоки СИМ IГлУУ: внешний мир и
внутри бортовой мир; Антр/объект, с входящими в него: а) бортовыми измерительными устройствами, б) ИУП кабины экипажа как рабочего места человека-оператора; человек-оператор, блок
регистрации результатов эксперимента.
Так как основными типами решений экипажа задач первого ГлУУ являются эвристические
решения, то наличие оператора в контуре моделирования является обязательным.
При моделировании на СИМ IГлУУ оценивается правильность назначения оператором ТС,
удобство восприятия и осмысления им представленной на ИУП модели внешней и внутри бортовой обстановки.
4. Компьютерные системы имитационного моделирования для отработки и тестирования баз знаний интеллектуальных систем, обеспечивающих экипажу решение задач IIГлУ
[17]. Решение задач IIГлУ, при проектировании которого не предполагается использование опера-
Компьютерные системы имитационного моделирования…
тором эвристических решений, выполняется БОСЭС ТС без участия человека-оператора. Структура таких БОСЭС и технология их разработки обсуждалась в [14-16].
Для тестирования и отработки баз знаний БОСЭС ТС создается система имитационного моделирования соответствующей ТС (СИМ-ТС), в которой деятельность человека оператора представляется математическим блоком ситуационного управления (БСУ).
Функциональные блоки СИМ-ТС показаны на рис.1.
Имитация внешнего и внутрибортового мира
Моделируемый Антр/объект
ММ бортовых измерительных устройств Антр/объекта и БЦВМалгоритмов обработки информации
Бортовая оперативно советующая экспертная система типовой ситуации «ХХХ» (БОСЭС-ХХХ): да/нет
Блок ситуационного управления: граф решений оператора (ГРО)
Временные затраты оператора
Имитация управляющих сигналов на ММ бортовых исполнительных
устройств
ММ бортовых исполнительные устройств Антр/объекта
Регистрации результатов эксперимента
Рис. 1. Функциональные блоки СИМ-ТС
Функциональный блок СИМ-ТС «Внешний мир и внутри бортовой мир» имитирует внешний мир для БОСЭС ТС и координат SV(ТС-ПрС/С), мир, соответствующий расчетным и ожидаемым условиям применения Антр/объекта в рассматриваемой ТС. В блоке имитируются внешние и
внутрибортовые угрозы, возникающие в этой ТС, в том числе и со стороны аналогичных
Антр/объектов, имеющих или не имеющих БОСЭС ТС с различными по глубине базами знаний.
Функциональный блок СИМ-ТС «Антр/объект», состоящий из:
- математической модели (ММ) самого объекта,
- ММ бортовых измерительных устройств, представляемых зонами получения информации
о внешнем мире и фиксацией в этих зонах той части информации, которую получает Антр/объект
от каждого имеющегося на борту измерительного устройства. Информация поступает на вход
БОСЭС ТС и в координаты ситуационного вектора SV(ТС-ПрС/С), имитирующего штатные кадры
информации на ИУП, доступные оператору на реальном Антр/объекте.
В СИМ-ТС бортовые информационные устройства (Б/Изм/Уст-ва) и БЦВМ-алгоритмы, вырабатывающие условные символы для штатных информационных кадров на ИУП, имитируются:
Компьютерные системы имитационного моделирования…
- фактом наличия такого Б/Изм/Уст-ва на борту Антр/объекта, зоной сбора им информации
из внешнего мира; составом информации, получаемой устройством из этой зоны;
- полноразмерной БОСЭС ТС;
- блоком ситуационного управления (БСУ), имитирующим необходимое для ТС бортовое
АиИО системообразующего ядра и алгоритмы деятельности человека оператора, временные затраты оператора на восприятие, уяснение и реализацию рекомендаций, представляемых БОСЭС
ТС. Временные затраты оператора предварительно рассчитываются [8, 9] и вставляются в БСУ в
качестве соответствующих параметров;
- математическими моделями (ММ) бортовых исполнительные устройств Антр/объекта,
имитирующих их воздействие на внешний мир в соответствии с управляющими сигналами, поступившими из БСУ.
Функциональный блок «Регистрации результатов эксперимент» фиксирует изменение по
времени внешнего мира, рекомендаций БОСЭС ТС.
При моделировании на СИМ-ТС работы БОСЭС ТС оцениваются: полнота предъявляемых
оператору рекомендаций и величина критерия эффективности работы Антр/объекта в рассматриваемой ТС.
При наличии на борту Антр/объекта БОСЭС ТС имитируемые в БСУ алгоритмы деятельности оператора включают в себя операции: обнаружение и осмысление рекомендаций БОСЭС ТС,
выделение и реализацию той части рекомендаций, которая должна быть реализована в текущий
момент времени.
При отсутствии на борту Антр/объекта БОСЭС ТС, имитируемые в БСУ алгоритмы деятельности оператора, включают в себя, кроме вышеперечисленного, операции по опознанию реализовавшейся проблемной субситуации, выработки решения по ней, выделение и реализацию той
части выработанного решения, которая должна быть реализована в текущий момент времени.
В обоих случаях оператор обязан работать в качестве звена запланированных для него процессов слежения.
Заключение.
1. Практика применения и разработки современных Антр/объектов требует создания для его
системообразующего ядра интеллектуальных систем двух классов:
- бортовой интеллектуальной информационной системы (ИИС) «Ситуационная
осведомленность экипажа», создающей экипажу информационную поддержку для оперативного назначения текущей цели сеанса функционирования,
- бортовых оперативно советующих экспертных систем типовых ситуаций сеансов
функционирования (БОСЭС ТС), оперативно предъявляющих экипажу способ достижения
текущей цели сеанса функционирования
2. Для тестирования и отработки баз знаний названных систем разрабатывают два класса систем компьютерного имитационного моделирования (СИМ):
- систему имитационного моделирования СИМ IГлУУ для ИИС «Ситуационная осведомленность экипажа» с обязательным включением в контур моделирования профессионального человека-оператора,
- системы имитационного моделирования СИМ ТС для каждой БОСЭС ТС с имитацией работы профессионального человека-оператора блоками ситуационного управления (БСУ).
СИМ ТС позволяет оценивать и совершенствовать базу знаний БОСЭС ТС без непосредственного участия квалифицированных профессиональных операторов, оставляя их востребованность на этап создания адаптированной БОСЭС ТС.
Разработка этих СИМ ведется на базе технической документации моделируемого
Антр/объекта по информационной и управляющей составляющим ИУП, по его бортовым измерительным устройствам, по его бортовым исполнительным устройствам, по составу и структуре его
бортовых БЦВМ-алгоритмов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Федунов Б.Е. Бортовые оперативно советующие экспертные системы тактических самолетов пятого поколения (обзор по материалам зарубежной печати). М.: НИЦ ГосНИИАС, 2002.
2.
Системы управления вооружением истребителей: основы интеллекта многофункционального самолета: под ред. акад. РАН Е.А. Федосова. Российская академия ракетных и артиллерийских Наук. М.:
Машиностроение, 2005.
3.
Основы инженерной психологии: под ред. Б.Ф. Ломова. М.: Высш. шк., 1977.
Компьютерные системы имитационного моделирования…
4.
Введение в эргономику: под ред. В.П. Зинченко. М.: Сов. радио, 1974.
5.
Зараковский Г.М. Психологический анализ трудовой деятельности. М.: Наука, 1967.
6.
Цибулевский И.Е. Человек как звено следящей системы. М.: Наука, 1981.
7.
Справочник по инженерной психологии: под ред. Б.Ф. Ломова. М.: Машиностроение, 1982.
8.
Федунов Б.Е. // Изв. РАН. ТиСУ. 2002. № 3.
9.
Абрамов А.П., Выдрук Д.Г., Федунов Б.Е. // Изв. РАН. ТиСУ. 2006. №.4. С.122.
10.
Федунов Б.Е. // Изв. РАН. ТиСУ. 1996. № 5.
11.
Васильев С.Н., Жерлов А.К., Федосов Е.А. и др. Интеллектное управление динамическими
системами. М.: Физматлит, 2002.
12.
Стефанов В.А., Федунов Б.Е. Бортовые оперативно советующие экспертные системы
(БОСЭС) типовых ситуаций функционирования антропоцентрических (технических) объектов. М.: Изд-во
МАИ. 2006.
13.
Поспелов Д.А. Ситуационное управление. Теория и практика. М.: Наука, 1986.
14.
Федунов Б.Е. // Изв. РАН. ТиСУ. 2009. №.5. C. 90.
15.
Федунов Б.Е. // Изв. РАН. ТиСУ. 2002. № 4.
16.
Козловских Б.Д., Федунов Б.Е. // Стандартизация и унификация АТ. Вопросы авиационной
науки и техники. 1995. Вып. 1–2.
17.
Рыбина Г.В. // Изв. РАН. ТиСУ. 2000. № 5. С. 182.